基于关键截面动挠度分析的桥梁预警模型和分级设置研究

基于关键截面动挠度分析的桥梁预警模型和分级设置研究

张裔佳

（中煤科工集团重庆设计研究院有限公司 重庆 400016）

摘要：本文通过动挠度理论分析和有限元仿真等手段获取各种冲击荷载作用下桥梁结构动力响应的动挠度的信号，获得桥梁结构动力响应的安全阀值，创建基于动挠度的安全预警模型和预警分级设置。

关键词：动挠度；预警设置；桥梁健康监测

1、引言

桥梁的动挠度是对桥梁刚度最为实时的反应，是桥梁在车辆荷载作用下最为真实的反应。桥梁主要截面的挠度是评价桥梁质量（刚度）及运行状态的重要指标之一，动挠度能更准确、更直接的反应桥梁的动态响应和动态刚度。所以对动挠度进行研究，可以更好的评估运营桥梁的健康状况，及时、准确的发现桥梁病害，保证桥梁的运营安全。

通过对动挠度进行数值分析，可以得到车辆荷载的冲击系数和桥梁结构的内力分布情况，从而对桥梁的整体性和劣化部位做出判断。对动挠度进行统计分析，可以得到桥梁的周期变化规律，从而为桥梁设计和规范修订提供参考。

2、有限元建模及荷载工况分类

2.1 工程有限元建模

本文以云南蒙新高速公路黑冲沟特大刚构桥左幅桥为研究模型。左幅桥主桥上部结构为98+180+98m三跨预应力混凝土连续刚构，桥梁全长397m。箱梁采用竖直腹板的单箱单室结构，箱梁顶板宽度为12.5米，箱体宽度为6.5米。两端及中跨跨中梁高3.2米，墩顶根部梁高10.8米，其余主梁梁高变化采用1.8次抛物线。箱梁合拢段底板厚度32厘米，墩顶底板根部厚度120厘米，厚度变化采用1.8次抛物线变化。箱梁腹板厚度采用50、60厘米，仅在主梁零号块为90厘米。箱梁采用50号混凝土。主梁悬臂浇注梁段划分长度依次为13.0米0号块＋6×3.5米＋7×4.5米＋6×5.0米，合拢段采用2.0米。边跨现浇段长7.0米，上部构造为全预应力混凝土。

主墩采用空心薄壁墩，桥墩的横向宽度与桥同宽为6.5米。每个墩下均有一尺寸为14×14×9.45米的承台，主桥支座采用GPZ4500型盆式橡胶活动支座（单

向及双向）。

采用有限元软件（midas civil）将黑冲沟特大桥左幅离散成160个单元，173个节点，起始节点为1。有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

2.2 荷载工况分类

动挠度与车辆荷载、车辆类型、路面情况、桥梁健康等诸多因素有关，但起关键作用的还是车辆荷载和桥梁的健康状况；而车辆荷载则包括车辆速度和车辆重量，本次模拟主要针对车辆重量对桥梁的影响，设定车辆速度在所有工况下都保持一致。模拟实验采用冲击荷载模拟货车与桥面作用形式，以获取刚构桥的动挠度。

冲击荷载的形式为三角形荷载，如图2所示。荷载采用单辆车辆的形式进行施加，而根据《公路桥涵设计通用规范》中对桥梁车辆荷载等级的规定，公路-Ⅰ级车辆荷载总重为55t，高等级公路桥梁车辆总重限载也为55t，故规定超载阈值为55t。

因此，本次模拟试验荷载分成三类工况：

第一类，模拟正常运行工况下，定为45吨的货车冲击作用；

第二类，模拟超载规定的阈值，定为55吨的货车冲击作用；

第三类，模拟超载的情况，定为65吨。分别获取各种工况下的刚构桥挠度动力响应信号。

1t 2t

图2 车辆荷载近似为三角形荷载

在计算结构动态响应时，时间步长t Δ的选取是否合适，对计算结果能否反映结构响应特征产生很大的影响。如果时间步长t Δ太大，有可能得到完全失真的响应曲线。在如图3所示的响应曲线中，如果步长不当，将会得到如虚线所示的错误的响应曲线。

时间步长的选取，应根据动态响应的最高阶振动周期频率来确定。由于三点确定一条抛物线，因此为了真实描述结构动态响应，在一个振动周期中应至少取十个点。如果设T 是结构振动的周期，f 是结构振动的频率，那么结构动态响应计算的时间步长应取为：

11010T t f

Δ<=

图3 步长对响应曲线的影响

因此，尽管时程分析与特征值分析可以同时进行，但为了查看最高阶振型的周期和振型参与系数，这里先进行特征值分析。通过有限元特征值分析，得到结构前八阶模态的周期与振型，如图4所示。

图4 前八阶模态的周期与振型

可以得到结构的第八阶周期为0.358s，所以采用时间间隔为0.04s。21t t 、的大小由车本身的特性决定，且只考虑单辆货车动荷载作用于桥跨中部61号测点，假定货车对作用点12=s 0.4t t s =0.2,。获取15号、50号和61号监测点的动挠度响

应，监测的点布置如图5所示。

图5 测点布置图

2.3 不同工况下的动挠度-时间曲线

对黑冲沟特大桥左幅桥进行动挠度有限元分析，并提取在45吨、55吨和65吨的货车荷载作用下跨中关键截面15号、50号和61号监测点的结构动力响应动挠度的信号，如图6所示。

（a）45吨货车荷载作用下的动挠度

（b）55吨货车荷载作用下的动挠度

（c）65吨货车荷载作用下的动挠度

图6 各工况下的动挠度曲线

3、预警控制指标

控制指标对桥梁结构健康诊断具有特殊意义，在监控桥梁结构安全运行中起着重要作用。依据控制指标可以及时、简便地判断桥梁结构的健康状况。动挠度是监测、诊断桥梁结构健康的最主要、最直接、最有效的监测量，是桥梁结构在各种荷载组合作用下的综合反映。

根据结构破坏的理论，确定动挠度的一级、二级、三级监控指标1m Δ、

2m Δ、3m Δ，0Δ表示桥梁结构动挠度监测值。则动挠度的诊断控制准则如下:

①01m Δ<Δ，则桥梁结构动挠度正常，桥梁结构处于健康状态，无超载车辆。 ②若102m m Δ<Δ<Δ，则桥梁结构动挠度较正常，桥梁结构处于正常状态，无超载车辆。

③若203m m Δ<Δ<Δ，则桥梁结构动挠度异常，桥梁结构处于病态，有超载车辆。

④若03m Δ=Δ，则桥梁结构处于病重状态，有超载车辆。

4、预警分级设计

将动挠度监测值0Δ与动挠度的一级、二级、三级监控指标1m Δ、2m Δ、3m Δ进行比较，划分出动挠度的预警等级，也划分出触发视频监拍系统的等级。

①正常状态（绿色）。监测值满足公式（1-1），监测发现没有影响安全的隐患异常荷载，则桥梁结构健康诊断等级为正常，无超载车辆通过，不触发视频监拍系统。

m 20Δ<Δ （1-1）

②一级预警（黄线）。监测值满足公式（1-2），监测发现存在影响安全的隐患